軟啟動器和變頻器在煤礦帶式輸送機啟動過程中的應(yīng)用

吳濤+趙志強

摘 要：軟啟動器在七八十年代提出，那時叫做晶閘管移相啟動器。變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設(shè)備。變頻器通常分為四部分：整流單元、高容量電容、逆變器和控制器。變頻器靠內(nèi)部IGBT的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機的實際需要來提供所需要的電源電壓，進而達到節(jié)能、調(diào)速的目的。本文主要針對軟啟動器和變頻器在帶式輸送機啟動過程中的應(yīng)用，通過對軟啟動器和變頻器啟動過程的調(diào)速原理進行分析，并結(jié)合煤礦實際應(yīng)用案例，提出針對帶式輸送機的軟啟動裝置的選取原則。

關(guān)鍵詞：帶式輸送機；軟啟動器；變頻器

前言：經(jīng)過四十多年的發(fā)展，軟啟動器的成本不斷降低，當(dāng)國內(nèi)很多企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量非常穩(wěn)定時，軟啟動器逐漸取代了直起、自藕減壓和星三角啟動器。現(xiàn)代的軟啟動器已經(jīng)發(fā)展成為一種集軟啟動、軟停車、輕載節(jié)能和多功能保護于一體的電機控制裝備。可實現(xiàn)在整個啟動過程中無沖擊而平滑地啟動電機，而且可根據(jù)電動機的特性來調(diào)節(jié)啟動過程中的各種參數(shù)，如限流值、啟動時間等。軟啟動器很好地解決了電動機啟動時對電網(wǎng)的沖擊和啟動后旁路接觸器工作的問題，它還具有多種電機的保護功能，因此軟啟動器得到廣泛的應(yīng)用。

1 帶式輸送機啟動特性及主要啟動控制方式

帶式輸送機系統(tǒng)的啟動過程會出現(xiàn)：打滑、沖擊。改善帶式輸送機的啟動性能已成為影響其運行的主要問題。目前對帶式輸送機實現(xiàn)可控啟動有多種方式，大致可分為機械裝置調(diào)速和電氣軟啟動兩大類。機械調(diào)速啟動裝置主要有：①調(diào)速型液力耦合器；②CST可控啟動傳輸；③液體粘滯可控離合器等多種方式。電氣軟啟動主要有：①直流電機整流調(diào)速；②軟啟動器（晶閘管調(diào)壓型）；③變頻裝置；④星-三角（Y-△）降壓起動等。以上啟動方式各有優(yōu)缺點，本文僅討論軟啟動器和變頻裝置在帶式輸送機啟動過程中應(yīng)用效果。

2 電氣軟啟動器工作原理

軟啟動器以交流調(diào)壓方式限制電動機的啟動電流，使電動機帶動帶式輸送機平穩(wěn)地過渡到額定轉(zhuǎn)速。電機啟動時，通過調(diào)節(jié)晶閘管導(dǎo)通角控制負載的初始電壓，系統(tǒng)按預(yù)先設(shè)定的啟動加速速率和啟動時間，逐步控制加在電機上的電壓和電流，平滑地增加電機轉(zhuǎn)矩，當(dāng)負載電機轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速時，旁路接觸器短接軟啟動器，啟動過程結(jié)束。

3 變頻裝置工作原理

在變頻調(diào)速工作原理是：三相對稱交流電經(jīng)過整流橋后轉(zhuǎn)化為脈動直流電，再通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)、電壓可調(diào)的等效交流電，輸出給異步電機。由于電機的轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比，通過改變電源輸出的頻率，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)平滑無級調(diào)速。

變頻調(diào)速原理是電機輸出轉(zhuǎn)速在負載恒定時正比于電源頻率。改變電子元件的導(dǎo)通周期T就可改變交變電源頻率，而改變電子元件的導(dǎo)通時間就可改變交變電源電壓。

4 變頻啟動與軟啟動對比分析

在異步電機穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，通過采用異步電機調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)等效電路來分析異步電機在不同工況下的運行狀況，進而對軟啟動與變頻器的驅(qū)動性能進行比較。

異步電機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型包括異步電機穩(wěn)態(tài)時的等效電路與機械特性，其中，穩(wěn)態(tài)等效電路描述了異步電機在一定轉(zhuǎn)差率下的穩(wěn)態(tài)電氣特性，而機械特性則描述了異步電機的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)關(guān)系。

Us 定子相電壓幅值；Is定子相電流幅值；Rs定子繞組電阻；

Lls定子繞組漏感； Lm定子勵磁電感； I0勵磁電流幅值；

Llr折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子繞組漏感； Rr折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子繞組電阻；

Ir折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子相電流幅值； s轉(zhuǎn)差率； np異步電機的極對數(shù)。

4.1 軟啟動性能分析

軟啟動多采用降壓啟動的方式，在降低定子電源電壓幅值的同時，并不對定子的電源頻率進行調(diào)節(jié)。

在ω1保持恒定的條件下，若降低定子電壓的幅值，異步電機的電磁轉(zhuǎn)矩Te將隨電壓的平方成正比地降低。顯然，在使用軟啟動對異步電機進行降壓啟動的過程中，其電磁轉(zhuǎn)矩?zé)o法得到保證。

4.2 變頻器性能分析

變頻器與軟啟動的最大區(qū)別在于，變頻器在調(diào)節(jié)定子電源電壓幅值的同時，還會同步調(diào)節(jié)定子電源的頻率，從而保持異步電機磁通的恒定，進而確保了電機的電磁轉(zhuǎn)矩。

當(dāng)采用變頻器驅(qū)動異步電機時，電機的機械特性在整個過程中并沒有發(fā)生明顯的變化，而且通過動態(tài)調(diào)整定子電壓的頻率，還可以人為改變異步電機的機械特性，因此變頻器具有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用前景。

4.3 變頻器啟動特性

在起動過程中，必經(jīng)由低頻開始起動，其電壓和頻率同時都在增加。鑒于不同電壓和不同頻率下的ns曲線不同，因而隨著頻率、電壓的遞增，它的起動曲線是不同頻率和電壓相對應(yīng)的I-n曲線族組成，當(dāng)電機帶負載起動時，頻率由零逐步升至起動頻率fk，當(dāng)與fk對應(yīng)的起動轉(zhuǎn)矩大于負載轉(zhuǎn)矩時，電機就開始起動。隨轉(zhuǎn)速上升轉(zhuǎn)矩下降至負載轉(zhuǎn)矩時，變頻器輸出頻率升至fh，電機就沿著設(shè)定的頻率曲線，最后穩(wěn)定運行于所需要轉(zhuǎn)速的頻率線上。整個變頻電機的起動過程曲線族，是沿折線呈鋸齒形曲線變化。

4.4 變頻器與軟啟動的性能比較

軟啟動器優(yōu)點是電機啟動平滑，可以降低電機的啟動沖擊電流，減少對電網(wǎng)和電機自身的沖擊。但對于帶式輸送機這類可能需要重載啟動的應(yīng)用場合，軟啟動幾乎無法勝任。帶式輸送機屬于恒轉(zhuǎn)矩負載，其負載轉(zhuǎn)矩不隨電機轉(zhuǎn)速改變，而軟啟動在驅(qū)動電機的初始階段由于定子電壓幅值較小，無法提供足夠的轉(zhuǎn)矩，因此無法實現(xiàn)電機的重載啟動。

而變頻器可應(yīng)用于帶式輸送機的恒轉(zhuǎn)矩負載的調(diào)速驅(qū)動過程中。它能有效控制帶式輸送機的軟啟動、軟停車，同時在使用多電機驅(qū)動的帶式輸送機系統(tǒng)中能夠動態(tài)分配各個電機的輸出功率，精度高，波動范圍小。

如冀中能源東龐礦井原帶式輸送機大部分采用軟啟動器，在重載壓煤時均難以啟動，只能人工卸煤后再啟動。現(xiàn)已逐步將原軟啟動器改造更換為變頻裝置，已更換變頻裝置的帶式輸送機未發(fā)生啟動困難現(xiàn)象。

可見變頻器不僅具有軟啟動的所有特性，還能始終將電機的機械特性保持在理想的范圍內(nèi)，這種優(yōu)越的特性幾乎可以滿足各種負載狀況的場合，因此其啟動性能要遠遠優(yōu)于軟啟動。特別是在類似帶式輸送機這種需要重載啟動的場合，使用變頻器才可滿足生產(chǎn)現(xiàn)場的要求。

參考文獻：

[1]張鐵峰.變頻調(diào)速電機啟動特性分析[J].防爆電機，2011（5）：49.

[2]崔晶.高性能V/f控制在中壓變頻器中的實現(xiàn)[J].西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2008（03）：98.

[3]王建升.AHD型帶式輸送機全自動液壓張緊裝置[J].礦山機械，2007（02）：56.endprint